變壓吸附氣體分離技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

1、變壓吸附氣體分離技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展摘要：變壓吸附氣體分離技術(shù)在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用，已逐步成為一種主要的氣體 分離技術(shù)。它具有能耗低、投資小、流程簡(jiǎn)單、操作方便、可靠性高、自動(dòng)化程度高及環(huán)境效益 好等特點(diǎn)。 簡(jiǎn)單介紹了變壓吸附分離技術(shù)的特點(diǎn)， 重點(diǎn)介紹了近年來(lái)變壓吸附技術(shù)各方面的進(jìn)步 和變壓吸附技術(shù)目前所達(dá)到的水平 （ 工藝流程、氣源、產(chǎn)品回收率、吸附劑、程控閥、自動(dòng)控制 等方面 ） ，并對(duì)變壓吸附技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。I、八、-l 前 言變壓吸附（Pressure Swing Adsorption , PSA的基本原理是利用氣體組 分在固體材料上吸附特性的差異以及吸附量隨壓力變化而變化

2、的特性， 通過(guò)周期 性的壓力變換過(guò)程實(shí)現(xiàn)氣體的分離或提純。該技術(shù)于 l962 年實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的制 氫。進(jìn)入 70 年代后，變壓吸附技術(shù)獲得了迅速的發(fā)展，裝置數(shù)量劇增，規(guī)模不 斷增大，使用范圍越來(lái)越廣，工藝不斷完善，成本不斷下降，逐漸成為一種主要 的、高效節(jié)能的氣體分離技術(shù)。變壓吸附技術(shù)在我國(guó)的工業(yè)應(yīng)用也有十幾年歷史。我國(guó)第一套PSA工業(yè)裝置是西南化工研究設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的，于 l982 年建于上海吳淞化肥廠，用于從合 成氨弛放氣中回收氫氣。目前，該院已推廣各種PSA工業(yè)裝置600多套，裝置規(guī) 模從數(shù) m3/h 到 60000m3/h ，可以從幾十種不同氣源中分離提純十幾種氣體。在國(guó)內(nèi)，變壓吸附技術(shù)已

3、推廣應(yīng)用到以下九個(gè)主要領(lǐng)域：1 氫氣的提純； 2 二氧化碳的提純， 可直接生產(chǎn)食品級(jí)二氧化碳； 3一 氧化碳的提純； 4變換氣脫除二氧化碳； 5. 天然氣的凈化； 6空氣分離制氧； 7空氣分離制氮； 8瓦斯氣濃縮甲烷； 9濃縮和提純乙烯。在H的分離和提純領(lǐng)域，特別是中小規(guī)模制氫， PSA分離技術(shù)已占主要 地位，一些傳統(tǒng)的H2制備及分離方法，如低溫法、電解法等，已逐漸被PSA等氣體分離技術(shù)所取代。PSA法從合成氨變換氣中脫除CO技術(shù)，可使小合成氨廠 改變其單一的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，增加液氨產(chǎn)量，降低能耗和操作成本。PSA分離提純CO 技術(shù)為 Cl 化學(xué)碳基合成工業(yè)解決了原料氣提純問(wèn)題。該技術(shù)已成功的為國(guó)外

4、引 進(jìn)的幾套羰基合成裝置相配套。PSA提純CO2技術(shù)可從廉價(jià)的工業(yè)廢氣制取食品 級(jí)CO。此外，PSA技術(shù)還可以應(yīng)用于氣體中NOX的脫除、硫化物的脫除、某些 有機(jī)有毒氣體的脫除與回收等， 在尾氣治理、 環(huán)境保護(hù)等方面也有廣闊的應(yīng)用前 景。變壓吸附的特點(diǎn)變壓吸附氣體分離工藝在石油、化工、冶金、電子、國(guó)防、醫(yī)療、環(huán)境 保護(hù)等方面得到了廣泛的應(yīng)用， 與其它氣體分離技術(shù)相比， 變壓吸附技術(shù)具有以 下優(yōu)點(diǎn)：1 低能耗，PSA工藝適應(yīng)的壓力范圍較廣，一些有壓力的氣源可以省去 再次加壓的能耗。PSA在常溫下操作，可以省去加熱或冷卻的能耗。2 產(chǎn)品純度高且可靈活調(diào)節(jié)，如 PSA制氫，產(chǎn)品純度可達(dá)99. 999%

5、, 并可根據(jù)工藝條件的變化，在較大范圍內(nèi)隨意調(diào)節(jié)產(chǎn)品氫的純度。3 .工藝流程簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)多種氣體的分離，對(duì)水、硫化物、氨、烴類等 雜質(zhì)有較強(qiáng)的承受能力，無(wú)需復(fù)雜的預(yù)處理工序。4 裝置由計(jì)算機(jī)控制，自動(dòng)化程度高，操作方便，每班只需稍加巡視即 可，裝置可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)操作。 開(kāi)停車簡(jiǎn)單迅速， 通常開(kāi)車半小時(shí)左右就可得到 合格產(chǎn)品，數(shù)分鐘就可完成停車。5 裝置調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，操作彈性大，PSAS置稍加調(diào)節(jié)就可以改變生產(chǎn)負(fù) 荷，而且在不同負(fù)荷下生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量可以保持不變， 僅回收率稍有變化。 變壓 吸附裝置對(duì)原料氣中雜質(zhì)含量和壓力等條件改變也有很強(qiáng)的適應(yīng)能力， 調(diào)節(jié)范圍 很寬。6 投資小，操作費(fèi)用低，維護(hù)簡(jiǎn)

6、單，檢修時(shí)間少，開(kāi)工率高。7 吸附劑使用周期長(zhǎng)。一般可以使用十年以上。8 裝置可靠性高。 變壓吸附裝置通常只有程序控制閥是運(yùn)動(dòng)部件， 而目 前國(guó)內(nèi)外的程序控制閥經(jīng)過(guò)多年研究改進(jìn)后， 使用壽命長(zhǎng)， 故障率極低， 裝置可 靠性很高， 而且由于計(jì)算機(jī)專家診斷系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用， 具有故障自動(dòng)診斷， 吸附 塔自動(dòng)切換等功能，使裝置的可靠性進(jìn)一步提高。9 .環(huán)境效益好，除因原料氣的特性外，PSAS置的運(yùn)行不會(huì)造成新的環(huán) 境污染，幾乎無(wú)“三廢”產(chǎn)生。3、 變壓吸附技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀3 . 1 變壓吸附提氫技術(shù)由于制備氫氣的原料和方法很多，加上許多工業(yè)尾氣含有較高的氫氣，所 以有許多不同的分離提純氫氣的流程。 表

7、1列出了比較常用的分離提純氫氣的方 法，并對(duì)不同方法的特點(diǎn)及適用范圍進(jìn)行了簡(jiǎn)單的比較。表1 幾種氫氣純化技術(shù)比較word 文檔可編輯項(xiàng)目膜分離變壓吸附深冷分離規(guī)模/Nmh-110010000100100000500010000氫純度/V%80999999.9999099氫回收率/%75858095最咼98操作壓力315或更高0.53.01.08.0/MPa壓力降/MPa高，原料產(chǎn)品0.10.2壓力比為26原料氫最小含量/V%30152015原料的預(yù)處需預(yù)處理可不預(yù)處理需預(yù)處理產(chǎn)品中的CO原料氣中CO含量的30%<10 卩 g/g幾百卩g/g操作彈性/%201001010050100投資較

8、高能耗較高操作難易簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單較難PSA提氫技術(shù)是PSA發(fā)展最早、推廣最多的一種工藝，最早在化工行業(yè) 應(yīng)用，僅國(guó)內(nèi)就有200多套，冶金行業(yè)應(yīng)用也較多，如用PSA法從焦?fàn)t氣中提氫 耗電約0.5kWh/吊，遠(yuǎn)低于電解法制氫的耗電。我國(guó)幾大鋼鐵企業(yè)紛紛采用PSA技術(shù)取代電解法制氫。石油工業(yè)是最大的氫氣用戶，從世界范圍看，石油工業(yè)用氫量占?xì)錃饪偤牧康?5%左右。這些氫絕大多數(shù)是用石油或煤轉(zhuǎn)化精制而成。隨著各國(guó)環(huán)保要求的提高。對(duì)油品的要求將越來(lái)越高，使煉油工業(yè)對(duì)氫氣的需求更多，氫氣供 求之間的矛盾更加突出。PSA提氫技術(shù)在石化系統(tǒng)的應(yīng)用近年來(lái)有較快增長(zhǎng)。我 國(guó)石化行業(yè)從80年代開(kāi)始引進(jìn)PSA提氫技術(shù)，最初引

9、進(jìn)的提氫裝置主要以烴類 轉(zhuǎn)化氣為原料?，F(xiàn)在，石化系統(tǒng)所用原料氣已不局限于烴類轉(zhuǎn)化氣，許多煉廠廢 氣都可作為PSA提氫原料氣。表2列舉了近年來(lái)國(guó)內(nèi)石化行業(yè)采用的部分 PSA 提氫裝置的簡(jiǎn)單情況。表2近年石化系統(tǒng)采用的部分PSA提氫裝置概況建設(shè)單位裝置處理能力/Nm3h-1原料氣種類大慶油田化工總大慶油田化工總5000050000產(chǎn)品氫純度/%催化裂化干氣99催化裂化干氣鎮(zhèn)海煉化公司50000煉廠混合氣遼陽(yáng)化纖公司40000煉廠氣99.9格爾木煉油廠8500含氫氣體99.999吉化公司有機(jī)合5800乙烯尾氣99.5成廠濟(jì)南煉油廠15000催化裂化干氣99.9濮陽(yáng)甲醇廠7000甲醇馳放氣98.5勝利

10、石油化工總12000變換氣99.9通過(guò)技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，我國(guó)的 PSA技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，在 許多方面，如工藝、產(chǎn)品純度、H2回收率、吸附劑、投資等，還處于國(guó)際領(lǐng)先水 平。大型PSA提氫裝置由最初的外國(guó)公司壟斷，已發(fā)展到國(guó)內(nèi)國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)，到1995 年以后，國(guó)內(nèi)新建PSA提氫裝置幾乎都采用國(guó)產(chǎn)技術(shù)，國(guó)外公司近年在國(guó)內(nèi)基本 沒(méi)有新的大型PSA提氫裝置投建。3 2 變壓吸附制氧或制氮目前，制氧或制氮市場(chǎng)仍然為低溫法、 PSA和膜分離技術(shù)激烈競(jìng)爭(zhēng)的局 面?？辗盅b置主要占據(jù)大型制氮和制氧市場(chǎng)。 中小型制氧或制氮裝置市場(chǎng)上， PSA 和膜分離所占份額繼續(xù)擴(kuò)大。過(guò)去的幾年中，空分設(shè)備繼續(xù)向更大型和低能

11、耗的方向發(fā)展， PSA和膜 分離裝置在數(shù)量和規(guī)模上迅速增加，使PSA制氧（氟）量在總的氧（氮）產(chǎn)量中所占 比例逐年上升。進(jìn)入90年代以來(lái)，PSA制氧（氮）量每年以30%左右的幅度遞增。 預(yù)計(jì)在今后十年還會(huì)有更大的發(fā)展。據(jù)報(bào)道在美國(guó)PSA制氧能力的增長(zhǎng)速率是低 溫法的 46 倍。3 . 3 PSA提純CO技術(shù)一氧化碳是C1化學(xué)的基礎(chǔ)原料氣，但提純方法不多，以往國(guó)內(nèi)采用精餾 法或Cosorb法提純CQ但這兩種方法的預(yù)處理系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備多，投資大，操 作成本高，效果不理想。四川天一科技股份有限公司開(kāi)發(fā)的二段法 PSA分離提純 CQ工藝，其投資僅為Cosorb法的65%，生產(chǎn)成本為Cosorb法的60

12、%，能耗為 Cosorb法的68%，使我國(guó)CQ的分離技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。采用固體吸附劑分離CQ的PSA工藝有兩類：一類是采用化學(xué)吸附的 CQ 專用銅系吸附劑的吸附工藝，混合氣可在 PSAS置內(nèi)一步實(shí)現(xiàn)CQ和CQ的分離， 即所謂的一步法，該工藝流程簡(jiǎn)單， 但目前還處于實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)試運(yùn)轉(zhuǎn)階段。 另一類分離CQ工藝是采用常規(guī)吸附劑的物理吸附 PSA工藝，即二段法工藝，第 一步脫除吸附能力較強(qiáng)的組分，第二步再?gòu)氖Ｓ嗷旌蠚怏w中分離提純CQ該技術(shù)已推廣應(yīng)用PSA分離提純CQ裝置16套，CQ產(chǎn)量可達(dá)3000 Nm3/h。黃磷尾氣、轉(zhuǎn)爐氣、高爐氣等氣源中都含有大量的CQ是PSA提純CQ的理想氣源，也可以

13、采用PSA工藝將高爐氣熱值提高用作工業(yè)燃?xì)狻? .1二氧化碳的分離提純有關(guān)二氧化碳的分離提純工藝。當(dāng)前約有40多種。歸納起來(lái)?？煞譃樗拇?類型：溶劑吸收法、低溫蒸餾法、膜分離法和變壓吸附法，這些方法也可組合應(yīng) 用。吸收工藝適用于氣體中CO含量較低的情況，CO濃度可達(dá)到99. 99%。但 該工藝投資費(fèi)用大，能耗較高，分離回收成本高。蒸餾工藝適用于高濃度的情況，如 CO濃度為60%。該工藝的設(shè)備投資大，能耗 高，分離效果差，成本也高。一般情況不太采用。膜分離法工藝較簡(jiǎn)單，操作方便，能耗低，經(jīng)濟(jì)合理，缺點(diǎn)是常常需要 前級(jí)處理、脫水和過(guò)濾，且很難得到高純度的 CO。但仍不失為一種較好的分離 CQ的方法

14、。PSA分離提純CQ技術(shù)于1986年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，可以從多種含CQ的氣源中分 離提純CQ,滿足CQ的多種工業(yè)用途。表3列舉了可作為PSA提純CQ的常用氣 源及組成。四川天一科技股份有限公司推廣的 PSA分離提純CQ裝置已有20多 套。3 . 5 PSA技術(shù)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用可用于天然氣的凈化。天然氣中常含有的 Q5-3 的烴類雜質(zhì)如乙烷、 丙烷、丁烷等常常影響以天然氣為原料的化工產(chǎn)品的質(zhì)量。采用 PSA凈化工藝， 可以將烴類雜質(zhì)脫除到IQQX 1Q-6以下，是一種理想的凈化方法?？捎糜诿旱V瓦斯氣濃縮，將煤礦瓦斯氣中甲烷濃縮，提高其熱值達(dá)到城市 煤氣的水平，可使瓦斯氣變廢為寶。可用于脫除各種工業(yè)氣源

15、和放空尾氣中的 NQx硫化氫等有害雜質(zhì)?？捎糜谝蚁饪s、尾氣凈化等各種領(lǐng)域。4 、 變壓吸附分離技術(shù)的進(jìn)展近年來(lái)。PSA技術(shù)的進(jìn)展迅速，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。4 . 1 PSA工藝日臻完善1 實(shí)現(xiàn)多次均壓。 最大限度的回收了產(chǎn)品組分和原料壓力， 降低了能耗和 原料消耗。2 .可以來(lái)用抽空工藝，極大的提高了 H2的回收率，以前國(guó)內(nèi)外PSAS置 的H2回收率最高約88% 89%，我國(guó)科研人員創(chuàng)造性的采用抽空工藝， H2的回 收率可以提高到 95一 97的水平。3 采用多床層多種吸附劑裝填方式， 取消了某些氣源的預(yù)處理及后處理工 序。4 .擴(kuò)大了 PSA技術(shù)的使用范圍，使某些需要變溫吸附的場(chǎng)合可以

16、來(lái)用PSA工藝。4 . 2 PSA適用氣源更加廣泛目前，PSA技術(shù)所用氣源可以達(dá)幾十種，以前某些不能使用的因產(chǎn)品組 分含量太低或雜質(zhì)組分極難解吸的氣源，因PSA技術(shù)的提高，使其可以回收利用。 以制氫為例，其所用氣源可分為兩類，一類是以煤、天然氣、重油為原料造氣或 用甲醇、氨裂解制備的含氫氣源， 另一類為各種工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的含氫尾氣。 這些氣源有： 變換氣、精煉氣、半水煤氣、 城市煤氣、焦?fàn)t氣、發(fā)酵氣、甲醇尾氣、 甲醛尾氣、 乙烯裝置排放氣、乙炔碳黑尾氣、電解副產(chǎn)氣、氨裂解氣、甲醇裂解氣、冷箱尾 氣、氯堿尾氣、煉廠氣等。總之，對(duì)于氫氣含量 20%的氣源，都可作為PSA 制氫的原料氣。目前以各

17、種工業(yè)廢氣為原料提純氫氣的 PSAS置僅國(guó)內(nèi)就有200 多套投入使用。4 3 產(chǎn)品回收率逐步提高以往，PSA技術(shù)的最大缺陷就是產(chǎn)品收率低，一船只有 75%左右。隨著技 術(shù)的提高，現(xiàn)在PSA制氫的收率最高可達(dá)95%以上。如用重整氫為原料氣，” 回收率可達(dá) 95%，以催化裂化干氣為原料氣，產(chǎn)品氫純度 999%，采用抽空 PSA工藝H的回收率可達(dá)90%左右。4 4 吸附劑吸附分離性能不斷提高近年來(lái)，變壓吸附用吸附劑的性能不斷提高，主要表現(xiàn)在吸附刑的吸附量 提高、產(chǎn)品組分的分離系數(shù)的提高、雜質(zhì)組分吸附前沿的降低、再生比較容易、 吸附劑強(qiáng)度的提高等幾個(gè)方面。 如現(xiàn)在制氫所用吸附劑， 吸附量較以前通用制氫

18、 分子篩提高 l0 %以上，某些雜質(zhì)的分離系數(shù)提高數(shù)倍，大大降低了吸附劑用量.對(duì)PSA工藝的改 進(jìn)提供了充足的空間。1.5 程序控制閥的改進(jìn)程控閥是PSA裝置實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)、可靠工作的關(guān)鍵設(shè)備。它要求閥門的 動(dòng)作壽命長(zhǎng)，啟閉 50 萬(wàn)次以上保證密封性能；啟閉速度快；部分閥門應(yīng)具有雙 向流通性；部分閥門應(yīng)具有調(diào)節(jié)功能； 閥門具有閥位狀態(tài)現(xiàn)場(chǎng)指示和遠(yuǎn)程傳送信 號(hào)，其動(dòng)作壽命與程控閥相同，并滿足 II 區(qū)防爆要求等等。四川天一科技股份有限公司針對(duì) PSA工藝的不同要求，研制開(kāi)發(fā)了如高 性能提升閥，適用于低壓差大通徑的雙偏心和三偏心蝶閥，適用于通徑DN50以下的球閥、邏輯導(dǎo)向閥、組合閥、單向閥、波紋管截止閥、四通球閥、管道閥、 高低選自動(dòng)閥等多種適用PSA工藝的專用程控閥，獲得多項(xiàng)專利。閥門密封壽命可達(dá)60萬(wàn)次以上，整體壽命可以大于 15 年。4 6 計(jì)算機(jī)專家診斷系統(tǒng)的應(yīng)用隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)PSA要求的提高，西南化工研究設(shè)計(jì)院開(kāi)發(fā) 研制的“計(jì)算機(jī)專家診斷處理系統(tǒng)”，使 PSA裝置的控制水平達(dá)到世界一流水 平。應(yīng)用該系統(tǒng)后，當(dāng)PSA裝置局部出現(xiàn)故障后，可以通過(guò)檢測(cè)故障信息，及時(shí) 準(zhǔn)確地判定故障原因、范圍和影響程序， 迅速將故障